DE2744168C3

DE2744168C3 - Magneto-optical spectrophotometer

Info

Publication number: DE2744168C3
Application number: DE2744168A
Authority: DE
Inventors: Masaru Kodaira Ito; Seiichi Kokubunji Murayama; Kounosuke Mito Ibaraki Ohishi; Manabu Odawara Kanagawa Yamamoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-10-01
Filing date: 1977-09-30
Publication date: 1979-10-31
Also published as: DE2744168A1; DE2744168B2; FR2366551B1; JPS5621093B2; US4166697A; GB1582753A; JPS5343592A; FR2366551A1

Description

Die Erfindung betrifft ein einen magnetooptischen Effekt ausnützenden Spektralphotometer gemäß dem Gattungsteil des Anspruchs 1.The invention relates to a magneto-optical effect utilizing spectrophotometer according to the Part of the preamble of claim 1.

Wenn Licht in einen Raum einfällt, in welchem Atome regellos verteilt vorliegen und es dort durch die Atome gestreut wird, dann ist die Art der Streuung des Lichts eine zweifache. Die eine Art verursacht eine Änderung der Wellenlänge des Lichts vor und nach der Streuung, die andere nicht. Vorausgesetzt, die Intensität des Lichts ist so niedrig, daß die Absorption des Lichts durch die Atome in dem Raum vernachlässigbar ist, dann ist im Falle der letzteren Art die Intensität des in die Einfallsrichtung des ankommenden Lichts gestreuten Lichts, d. h. die Intensität des vorwärtsgestreuten Lichts, dem Quadrat der Anzahl der an der Streuung beteiligten Atome proportional, während die Intensität des in Richtungen gestreuten Lichts, die von der Vorwärtsrichtung verschieden sind, der Anzahl der an der Streuung beteiligten Atome selbst proportional ist Auf der anderen Seite steigt im Falle der Resonanzstreuung, bei welcher die Wellenlänge des einfallenden Lichts mit der Resonanzlinie der Atome zusammenfällt, die Intensität des gestreuten Lichts, verglichen mit der Nicht-Resonanzstreuung, merklich an. Die Wellenlänge der Resonanzlinie ist von Element zu Element verschieden und bekannt. Dementsprechend läßt sich ein zu messendes Probenatom mit hoher Empfindlichkeit analysieren, wenn Licht mit der Wellenlänge der Resonanzlinie des Probenatoms in den das Probenatom enthaltenden Raum gesandt und das durch die Atome in Vorwärtsrichtung gestreute Licht gemessen wird.When light falls into a room in which atoms are randomly distributed and it is there through the atoms is scattered, the type of scattering of the light is twofold. One type causes a change the wavelength of the light before and after the scattering, the other not. Assuming the intensity of the light is so low that the absorption of light by the atoms in the space is negligible, then im In the case of the latter type, the intensity of the scattered in the direction of incidence of the incoming light Light, d. H. the intensity of the forward scattered light, the square of the number involved in the scattering Atoms proportional while the intensity of light scattered in directions coming from the forward direction are different, the number of atoms involved in the scattering is itself proportional to the on the other hand increases in the case of resonance scattering, in which the wavelength of the incident light increases with the Resonance line of atoms coincides, the intensity of the scattered light compared to the non-resonance scattering, noticeably. The wavelength of the resonance line differs from element to element and known. Accordingly, a sample atom to be measured can be obtained with high sensitivity analyze when light with the wavelength of the resonance line of the sample atom enters the the sample atom and the light scattered in the forward direction by the atoms is measured.

Für das in Vorwärtsrichtung gestreute Licht sind jedoch Wellenlänge und Laufrichtung die gleichen wie beim einfallenden Licht. Es ist daher unabdingbar notwendig, irgendwie zwischen dem einfallenden Licht und dem gestreuten Licht zu unterscheiden.For the light scattered in the forward direction, however, the wavelength and direction of travel are the same as with incident light. It is therefore essential, somehow between the incident light and the scattered light.

Nach A. Corney, B. P. Kibble und G.W. Series, Proceedings of the Royal Society of London, Band A 293, Seite 70 (1966) wird bei Anlegen eines Magnetfeldes an die Atome wegen des Faraday- oder Voigt-Effekts die Polarisationsrichtung des gestreuten Lichts von derjenigen des einfallenden Lichts verschieden, und ebenso wird im Falle eines magnetooptischen Effekts das vorwärtsgestreute Licht mit größerer Intensität beobachtet als sonstiges gestreutes Licht. D. A. Church und T. H. Hadeishi stellen in Applied Physics Letters, Band 24, Seite 185 (1974) fest, daß sich die obengenannten, durch Corney et al. beschriebenen Tatsachen in entsprechender Anpassung zur Analyse eines zu messenden Probenatoms ausnützen lassen.According to A. Corney, B. P. Kibble and G.W. Series, Proceedings of the Royal Society of London, Volume A 293, page 70 (1966) is when a magnetic field is applied to the atoms because of the Faraday or Voigt effect, the polarization direction of the scattered light differs from that of the incident light, and also, in the case of a magneto-optical effect, the forward scattered light becomes larger Intensity observed as other scattered light. D. A. Church and T. H. Hadeishi put in Applied Physics Letters, Vol. 24, p. 185 (1974) states that the above, published by Corney et al. utilize the facts described in appropriate adaptation for the analysis of a sample atom to be measured permit.

Das Meßprinzip ist schematisch in F i g. 1 dargestellt. Licht von einer Lichtquelle 1, welche ein Spektrum mit der Wellenlänge der Resonanzlinie eines zu messenden Atoms emittiert, wird über einen Polarisator 2 in linearpolarisiertes Licht mit einer Polansationsrichtung P\ umgewandelt und in den Raum mit den zu messenden Probenatomen 3 eintreten gelassen. Das einfallende linearpolarisierte Licht wird durch die Probenatome (die üblicherweise in der Glasphase vorliegen) gestreut. Wird ein Magnetfeld H parallel (oder senkrecht) zur Richtung des einfallenden linearpolarisierten Lichts angelegt, dann ändert sich wegen des Faraday- oder Voigt-Effekts die Polarisation des gestreuten Lichts gegenüber derjenigen des einfallenden Lichts.The measuring principle is shown schematically in FIG. 1 shown. Light from a light source 1, which emits a spectrum with the wavelength of the resonance line of an atom to be measured, is converted via a polarizer 2 into linearly polarized light with a polarization direction P \ and allowed to enter the space with the sample atoms 3 to be measured. The incident linearly polarized light is scattered by the sample atoms (which are usually present in the glass phase). If a magnetic field H is applied parallel (or perpendicular) to the direction of the incident linearly polarized light, the polarization of the scattered light changes compared to that of the incident light because of the Faraday or Voigt effect.

Das einfallende Licht und das vorwärtsgestreute Licht werden auf einen Analysator 4 geschickt, wobei nur diejenige Komponente des vorwärtsgestreuten Lichts, deren Polansationsrichtung P₂ senkrecht zur Polarisationsrichtung P\ des einfallenden linearpolarisierten Lichts liegt, vom Analysator 4 durchgelassen und durch einen Detektor 5 nachgewiesen wird. Durch Verwendung eines Doppelbüdpolarisationsprismas als Analysator 4 ist es möglich, gleichzeitig zwei Polarisationskomponenten, die in rechtem Winkel zueinander liegen, d. h. das einfallende linearpolarisierte Licht und das vorwärtsgestreute Licht, gleichzeitig nachzuweisen. Die Art der Streuung und des Nachweises sind in den F i g. 2a und 2b veranschaulicht.The incident light and the forward-scattered light are sent to an analyzer 4, whereby only that component of the forward-scattered light whose polarization direction P _{2 is} perpendicular to the polarization direction P \ of the incident linearly polarized light is transmitted by the analyzer 4 and detected by a detector 5. By using a double-sided polarization prism as the analyzer 4, it is possible to simultaneously detect two polarization components which are at right angles to one another, ie the incident linearly polarized light and the forward-scattered light. The type of scatter and the evidence are shown in FIGS. 2a and 2b illustrated.

C'cmäß Fig. 2a wird ein Rochon-Prisma und gemäß F 1 g. 2b ein Wollaston-Prisma als Analysator verwendet, ledes Prisma besteht aus zwei Arten von optisch einachsigen, anisotropen Kristallen, die so miteinanderAccording to FIG. 2a, a Rochon prism and according to FIG F 1 g. 2b a Wollaston prism is used as an analyzer, Each prism consists of two types of optically uniaxial, anisotropic crystals that are so interconnected

verbunden sind, daß ihre optischen Achsen einen Winkel von 90° einschließen. Das Rochon-Prisma der Fig.2a besteht aus einem rechteckigen Prisma 4a, dessen optische Achse parallel zur Laufrichtung des einfallenden Lichts liegt, und einem mit diesem Prisma verbundenen rechteckigen Prisma 46, diesen optische Achse parallel zu einer schrägen Ebene 4e des Prismas 4a und senkrecht zur Laufrichtung des einfallenden Lichts liegt Wenn Licht in der durch einen PfeU angedeuteten Weise auf das Rochon-Prisma fällt, wird es durch das Prisma in zwei zueinander senkrecht polarisierte Lichtbündel mit verschiedenen Ausbreitungsrichtungen zerlegt. Von diesen zwei von der schrägen Ebene 4e, d- h. der Grenzfläche zwischen den zwei rechteckigen Prismen 4a und 46, her getrennten Lichtbündeln geht das eine, P, welches in der Einfallsebene (in der Zeichenebene) polarisiert ist, ungebrochen hindurch, während das andere, S, welches senkrecht zur Einfallsebene polarisiert ist, gebrochen wird.are connected that their optical axes enclose an angle of 90 °. The Rochon prism of FIG. 2a consists of a rectangular prism 4a, the optical axis of which is parallel to the direction of travel of the incident light, and a rectangular prism 46 connected to this prism, this optical axis parallel to an inclined plane 4e of the prism 4a and perpendicular to the direction of travel of the incident light When light falls on the Rochon prism in the manner indicated by an arrow, it is split up by the prism into two perpendicularly polarized light bundles with different directions of propagation. Of these two from the inclined plane 4e, i. The light bundles separated from the interface between the two rectangular prisms 4a and 46, one, P, which is polarized in the plane of incidence (in the plane of the drawing), passes through unbroken, while the other, S, which is polarized perpendicular to the plane of incidence, is refracted .

Im in Fig.2b gezeigten Wollaston-Prisma liegt die optische Achse des Prismas 4c auf der Einfallsseite bezüglich der schrägen Ebene 46 in der Einfallsebene und senkrecht zum einfallenden Licht Daher werden beide durchgelassenen Strahlen Pund Sgebrochen. Wie in diesen Beispielen dargestellt, werden die Richtungen der zwei durch das Doppelbildpolarisationsprisma getrennten Bündel P und 5 durch die Richtung der schrägen Fläche 4e bestimmtIn the Wollaston prism shown in FIG. 2b, the optical axis of the prism 4c lies on the incidence side with respect to the inclined plane 46 in the plane of incidence and perpendicular to the incident light. Therefore, both transmitted rays P and S are refracted. As shown in these examples, the directions of the two beams P and 5 separated by the double image polarizing prism are determined by the direction of the inclined surface 4e

F i g. 3 zeigt eine auf dem Doppelstrahlverfahren basierende Meßmethode zur Korrektur von Meßfehlern, die sich aus Schwankungen der Intensität des einfallenden Lichts oder der Lichtabsorption von Molekülen ergeben. In dieser Fig.3 stellt 1 eine Lichtquelle dar, welche Licht emittiert, das die Resonanzlinie eines zu messenden Probenatoms enthält. 2 bezeichnet einen Polarisator. Das Symbol H bezeichnet ein an die Atome in einer Richtung senkrecht zum einfallenden Licht (eine Richtung parallel zum einfallenden Licht ist ebenfalls möglich) angelegtes Magnetfeld. Es bezeichnen ferner 3 Atome, 4 einen Analysator (Doppelbildprisma), 5' und 5" Detektoren, und 6 eine Auswertvorrichtung.F i g. 3 shows a measurement method based on the double-beam method for correcting measurement errors which result from fluctuations in the intensity of the incident light or the light absorption of molecules. In this FIG. 3, 1 represents a light source which emits light which contains the resonance line of a sample atom to be measured. 2 denotes a polarizer. The symbol H denotes a magnetic field applied to the atoms in a direction perpendicular to the incident light (a direction parallel to the incident light is also possible). It also designates 3 atoms, 4 an analyzer (double image prism), 5 'and 5 "detectors, and 6 an evaluation device.

Das gezeigte Meßsystem ist so eingerichtet, daß bei Abwesenheit von zu messenden Atomen 3 nur ein Lichtbündel durch den durch das Doppelbildpolarisationsprisma gebildeten Analysator 4 geht In diesem Fall hat das vom Analysator 4 durchgelassene Licht die gleiche Polarisationsebene P\ wie das einfallende linearpolarisierte Licht und wird durch den Detektor 5" so nachgewiesen. Bei Anwesenheit von nachzuweisenden Atomen 3 durchlaufen zwei Lichtbündel den Analysator 4. Das dabei neu erscheinende Licht hat die Polarisationsebene P2, die senkrecht zur Polarisationsebene Pi liegt, und wird durch den Detektor 5' nachgewiesen. Da das Licht beider Polarisationsebenen P\ und Pi im selben Verhältnis der Absorption und Streuung durch Moleküle und Teilchen unterworfen ist, läßt sich der Meßfehler infolge von Schwankungen jer Intensität des einfallenden Lichts oder der Absorption durch die Moleküle kompensieren, indem die Ausgangsgrößen der Detektoren 5' und 5" unter Verwendung der Auswertvorrichtung 6 zueinander ins Verhältnis gesetzt werden. Ebenso ist es möglich, verschiedene Elemente zu analysieren, indem ein Wellenlängenselektor zur Auswahl einer gewünschten Wellenlänge zwischen den Analysator 4 und die Detektoren 5' und 5" gesetzt wird. Aus der auf die Erfinder zurückgehenden älteren japanischenThe measurement system shown is arranged so that in the absence of the measured atoms 3, only one light beam through the space formed by the double-image polarizing prism analyzer 4 is In this case, the transmitted through the analyzer 4 light in the same polarizing plane P \ as the incident linearly polarized light and is the detector 5 "is detected in this way. When atoms 3 to be detected are present, two light bundles pass through the analyzer 4. The newly emerging light has the polarization plane P2, which is perpendicular to the polarization plane Pi, and is detected by the detector 5 ' Polarization planes P \ and Pi is subject to the same ratio of absorption and scattering by molecules and particles, the measurement error due to fluctuations in the intensity of the incident light or the absorption by the molecules can be compensated by reducing the output variables of the detectors 5 'and 5 " Use of the evaluation device 6 can be set in relation to each other. It is also possible to analyze various elements by placing a wavelength selector for selecting a desired wavelength between the analyzer 4 and the detectors 5 'and 5 ". From the older Japanese version dating back to the inventors Patentanmeldung 1 43 979/1975 (entsprechend US-Patentanmeldung Serial No. 7 46 831) ergibt sich, daß sich die Elementaranalyse einer gegebenen Probe mit hoher Genauigkeit durchführen läßt, indem aus einer einem Magnetfeld unterworfenen Probenkammer kommendes Licht unter Verwendung eines Doppelbildpolarisationsprismas in einen ordentlichen Strahl und einen außerordentlichen Strahl zerlegt wird, beide Lichtbündel auf den gleichen Eingangsspalt ein und desselben Spektralphotometers konvergiert werden, sie unter Verwendung eines einzelnen dispersiven Elements getrennt werden, die Lichtbündel durch getrennte Detektoren getrennt detektiert werden und indem man einen Vergleichsmeßwert der Intensität polarisierten Lichts unter Verwendung des anderen Lichts (einfallenden Lichts) als Referenz gewinntPatent application 1 43 979/1975 (corresponding to US patent application Serial No. 7 46 831) shows that allows the elemental analysis of a given sample to be carried out with high accuracy by using a Light coming from the sample chamber subjected to a magnetic field into an ordinary beam and a beam using a double image polarizing prism extraordinary ray is split, both light bundles on the same entrance slit one and the same To converge spectrophotometers, they use a single dispersive element are separated, the light bundles are detected separately by separate detectors and by one obtains a comparative reading of the polarized light intensity using the other light (incident light) as a reference

Es gibt jedoch zwei Fälle, wie in den Fig.4 und 5 gezeigt wo zwei Lichtbündel Ls und Lr, die die gleiche Wellenlänge aber verschiedene Laufrichtungen haben, in ein dispersives Element eintreten. Zur Vereinfachung der Erläuterung ist in diesen Figuren ein konkaves Beugungsgitter als dispersives Element verwendet gezeigt obwohl die Erläuterung natürlich auch für ein ebenes Beugungsgitter oder ein Prisma giltHowever, there are two cases, as shown in FIGS. 4 and 5, where two light beams Ls and Lr, which have the same wavelength but different travel directions, enter a dispersive element. To simplify the explanation, a concave diffraction grating is shown used as a dispersive element in these figures, although the explanation naturally also applies to a flat diffraction grating or a prism

F i g. 4 zeigt den Fall, wo die optischen Achsen der beiden Lichtbündel mit gleicher Wellenlänge aber verschiedenen Laufrichtungen in einer Ebene liegen, welche senkrecht zu der Ebene verläuft die die Richtung der Rillen des Beugungsgitters 9 enthält d. h., in der aus der Dispersionsrichtung bestehenden Ebene. Die zwei durch die Eingangsnadellöcher a, b der Eingangsplatte 7 eintretenden Lichtbündel Ls. Lr werden jeweils durch das Beugungsgitter 9 abgebeugt und ergeben Bilder zwischen den Ausgangsnadellöchern c/und c auf der Ausgangsplatte 8. Bezeichnet man den Abstand zwischen den Nadellöchern a und t/mit Ds und den Abstand zwischen den Nadellöchern bund emit Dr, dann ändern sich Ds und Dr mit der Wellenlänge. Jedesmal wenn die Wellenlänge verändert wird, ist es daher notwendig, den Abstand zwischen c und d zu ändern.F i g. 4 shows the case where the optical axes of the two light bundles with the same wavelength but different travel directions lie in a plane which runs perpendicular to the plane which contains the direction of the grooves of the diffraction grating 9, ie in the plane consisting of the dispersion direction. The two light bundles Ls entering through the entrance needle holes a, b of the entrance plate 7. Lr are respectively diffracted by the diffraction grating 9 and give images between the output pinholes c / and c on the output plate 8. Designating the distance between the pinholes A and T / Ds, and the distance between the pinholes bund emit Dr, then Ds change and Dr with the wavelength. Every time the wavelength is changed it is therefore necessary to change the distance between c and d.

Andererseits ist im allgemeinen wegen Störungen im Beugungsgitter selbst oder unregelmäßiger Reflexion auf seiner Oberfläche Streulicht auf dem Beugungsgitter vorhanden. Dieses Streulicht hat in der aus der Dispersionsrichtung bestehenden Ebene senkrecht zu den Rillen einen größeren Einfluß als parallel zu den Rillen. Wenn eines der beiden Lichtbündel L_s und Lr extrem schwach ist, dann durchläuft das Streulicht des stärkeren Lichtbündels das Ausgangsnadelloch des schwächeren Lichtbündels und führt zu einem Meßfehler.On the other hand, there is generally scattered light on the diffraction grating because of disturbances in the diffraction grating itself or irregular reflection on its surface. This scattered light has a greater influence in the plane consisting of the direction of dispersion perpendicular to the grooves than parallel to the grooves. If one of the two light bundles L _s and Lr is extremely weak, then the scattered light of the stronger light bundle passes through the exit pinhole of the weaker light bundle and leads to a measurement error.

Wenn das Licht ein kontinuierliches Spekti um besitzt und dazu die Ausgangsnadellöcher d und c in einer aus der Dispersionsrichtung bestehenden Ebene liegen, dann läuft Licht mit von der zu messenden Objektspektralkomponente verschiedenen Spektralkomponenten wechselseitig durch andere Ausgangsnadellöcher, wodurch eine genaue Messung unmöglich wird.If the light has a continuous spectrum and the exit pinholes d and c lie in a plane consisting of the dispersion direction, then light with spectral components different from the object spectral component to be measured travels alternately through other exit pinholes, which makes an accurate measurement impossible.

Nach allem ist es Aufgabe der Erfindung, ein einen magnetooptischen Effekt ausnützendes Spektralphotometer gemäß dem Gattungsteil des Anspruchs 1 zu schaffen, bei welchem von Schwankungen der Intensität des einfallenden Lichts, der Absorption und Streuung durch unterbrechende Moleküle usw. herrührende Meßfehler durch einen einfachen Mechanismus unter Verwendung eines dispersiven Elements beseitigt sind.After all, it is the object of the invention to provide a spectrophotometer which utilizes a magneto-optical effect create in which of fluctuations in the intensity of the incident light, the absorption and scattering measurement errors resulting from interrupting molecules etc. are suppressed by a simple mechanism Using a dispersive element are eliminated.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durchAccording to the invention, this object is achieved by

die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.the characterizing features of claim 1.

Im folgenden wird die Erfindung in Verbindung mit den Fig.5 bis 8 der Zeichnung im einzelnen erläutert. Die bereits erwähnten F i g. 1 bis 4 dienen der Erläuterung des Hintergrunds der Erfindung. Es zeigtIn the following the invention is explained in detail in connection with FIGS. 5 to 8 of the drawing. The already mentioned F i g. 1 to 4 serve to explain the background of the invention. It shows

Fig. 1 eine schematische Darstellung, welche das Prinzip der analytischen Messung eines Spurenelements unter Verwendung eines magnetooptischen Effekts zeigt,Fig. 1 is a schematic representation showing the principle of the analytical measurement of a trace element using a magneto-optic effect shows

Fig.2a und 2b schematische Darstellungen, die den Polarisationszustand in dem magnetooptischen Spektralphotometer entsprechend der Art eines verwendeten Doppelbildpolarisationsprismas zeigen,Fig.2a and 2b are schematic representations showing the Polarization state in the magneto-optical spectrophotometer according to the kind of one used Show double image polarizing prisms,

F i g. 3 eine schematische Ansicht, welche das Prinzip der Messung einer Probe nach einer Doppelstrahlmethode im magnetooptischen Spektralphotometer zeigt,F i g. 3 is a schematic view showing the principle of measuring a sample by a double-beam method shows in the magneto-optical spectrophotometer,

Fig. 4 eine schematische Ansicht, welche die Beziehung zwischen dem einfallenden und abgebeugten Licht zeigt, wenn zwei Lichtbündel der gleichen Wellenlänge mit bezogen aufeinander verschiedenen Einfallswinkeln auf ein konkaves Beugungsgitter zum Einfall gebracht werden und die diese Bündel enthaltende Ebene im rechten Winkel zu den Rillen des Gitters liegtFig. 4 is a schematic view showing the relationship between incident and deflected Light shows when two light bundles of the same wavelength with relative to each other are different Incidence angles are brought to incidence on a concave diffraction grating and the one containing these bundles Level is at right angles to the grooves of the grid

Von den F i g. 5 bis 8 zeigtFrom the F i g. 5 to 8 shows

Fig.5 eine schematische Ansicht, welche den Hauptabschnitt einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spektralphotometers darstellt,Fig.5 is a schematic view showing the main portion of a preferred embodiment represents the spectrophotometer according to the invention,

Fig. 6 eine schematische Ansicht, weiche den wesentlichen Aufbau dieses Spektralphotometers darstellt, 6 is a schematic view showing the essential structure of this spectrophotometer,

Fig. 7 eine schematische Ansicht, welche einen Abschnitt zur Aufnahme der Probe, der einer der Hauptabschnitte des Spektralphotometers nach der Erfindung darstellt,Fig. 7 is a schematic view showing a portion for receiving the sample, which is one of the Represents main sections of the spectrophotometer according to the invention,

Fig.8 eine schematische Ansicht, welche einen Abschnitt zur Aufnahme einer Probe und einen Analysierabschnitt einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spektralphotometers darstellt.Fig.8 is a schematic view showing a portion for receiving a sample and a Represents the analysis section of a further embodiment of the spectrophotometer according to the invention.

Im folgenden wird nun unter Bezugnahme auf F i g. 5 ein Spektralphotometer erläutert, welches einen magnetooptischen Effekt ausnützt und als dispersives Element ein konkaves Beugungsgitter verwendet. Im einzelnen sind zwei Lichtbündel Ls. Lr mit gleicher Wellenlänge aber verschiedener Polarisationsrichtung so angeordnet, daß ihre optischen Achsen in einer Ebene liegen, welche parallel zur Richtung der Rillen des konkaven Beugungsgitters 9 ist.In the following, with reference to FIG. 5 explains a spectrophotometer which utilizes a magneto-optical effect and uses a concave diffraction grating as a dispersive element. In detail there are two light bundles Ls. Lr with the same wavelength but different polarization directions are arranged so that their optical axes lie in a plane which is parallel to the direction of the grooves of the concave diffraction grating 9.

Durch die Eingangsplatte 7 sind Eingangsnadellöcher a und b gebohrt, welche parallel zur Richtung der Rillen des Beugungsgitters 9 liegen, und die Bündel Ls, Lr können durch diese Nadellöcher eintreten. Das vom Beugungsgitter 9 abgebeugte Licht bildet die Bilder der Nadellöcher a und b an durch die Wellenlänge bestimmten Stellen. Wenn das einfallende Licht Licht einer bestimmten Weilenlänge ist, werden die Bilder zu Punkten, welche Bilder auf den Ausgangsnadellöchern d und cder Ausgangsplatte 8 in F i g. 5 sind. In diesem Fall liegen die Oberfläche des konkaven Beugungsgitters 9 und die Nadellöcher a, b. c und d natürlich auf einem Rowland-Kreis. Entrance needle holes a and b are bored through the entrance plate 7, which are parallel to the direction of the grooves of the diffraction grating 9, and the bundles Ls, Lr can enter through these needle holes. The light diffracted by the diffraction grating 9 forms the images of the pinholes a and b at locations determined by the wavelength. When the incident light is light of a certain length of a while, the images become dots which are images on the exit pinholes d and c of the exit plate 8 in FIG. 5 are. In this case, the surface of the concave diffraction grating 9 and the pinholes a, b are located. c and d of course on a Rowland circle.

In Richtung der Rillen wirkt das Beugungsgitter wie ein einfacher Spiegel, der gewöhnliche Spiegelreflexion verursacht. Daher liegen die Nadellöcher d und c in einer Ebene, die parallel zur Richtung der Rillen ist Der Abstand D zwischen einer die Nadellöcher a und b verbindenden Linie und einer die Nadellöcher c und d verbindenden Linie hängt von der Wellenlänge des einfallenden Lichts ab. Der Abstand zwischen c und d ändert sich jedoch nicht Bei Veränderung der Wellenlänge des einfallenden Lichts ist es möglich, die Bilder der Nadellöcher a und b auf den Nadellöchern d und czu erzeugen, indem das Beugungsgitter 9 um eine Z-Achse, welche parallel zu den Rillen verläuft, gedreht und die Lage der Nadellöcher c und d unverändert gelassen wird. Wenn ein ebenes Beugungsgitter oder ein Prisma verwendet wird, sind die Verhältnisse sehr ähnlich.In the direction of the grooves, the diffraction grating acts like a simple mirror, causing ordinary specular reflections. Therefore, the pinholes d and c lie in a plane which is parallel to the direction of the grooves. The distance D between a line connecting the pinholes a and b and a line connecting the pinholes c and d depends on the wavelength of the incident light. However, the distance between c and d does not change. When changing the wavelength of the incident light, it is possible to generate the images of the pinholes a and b on the pinholes d and c by moving the diffraction grating 9 around a Z-axis which is parallel to the Grooves runs, rotated and the position of the pinholes c and d is left unchanged. If a plane diffraction grating or a prism is used, the proportions are very similar.

F i g. 6 zeigt einen Teil des Spektralphotometers der vom Analysator bis zu den Detektoren reicht. Das Licht, welches die zu messende Probe durchlaufen hat, durchläuft den durch das Doppelbildpolarisationsprisma gebildeten Analysator 4, wird in die Lichtbündel Lr und Ls zerlegt, die durch eine Linse 10 konvergent gemacht werden, die Eingangsnadellöcher a und b des Spektrometer durchlaufen, durch das Beugungsgitter 9 abgebeugt werden, die entsprechenden Ausgangsnadeliöcher d und c durchlaufen und dann durch die Detektoren 5" und 5' nachgewiesen werden. Die Ausgangsgrößen dieser Detektoren werden durch die Auswertvorrichtung zueinander ins Verhältnis gesetzt und damit die Meßausgangsgröße bestimmt. Diese Verhältnisbildung ermöglicht eine Kompensation von Meßfehlern, die von der Absorption und Streuung durch Moleküle usw. herrühren, mit Ausnahme von auf Atomdampf zurückgehenden Fehlern.F i g. 6 shows part of the spectrophotometer that extends from the analyzer to the detectors. The light which has passed through the sample to be measured passes through the analyzer 4 formed by the double image polarization prism, is split into the light bundles Lr and Ls, which are made convergent by a lens 10, which pass through the entrance pinholes a and b of the spectrometer, through the diffraction grating 9, pass through the corresponding output needle holes d and c and then detected by the detectors 5 "and 5 '. The output variables of these detectors are set in relation to one another by the evaluation device and thus the measurement output variable is determined. resulting from absorption and scattering by molecules, etc., with the exception of errors due to atomic vapor.

Die Ebene, die die beiden Lichtbündel nach dem Durchlaufen des Analysator* 4 des Doppelbildpolarisationsprismas enthält, die die Nadellöcher a und b verbindende Linie sowie die die Nadellöcher c und d verbindende Linie liegen alle in Ebenen, die zu den Rillen des Beugungsgitters 9 parallel sind. Zum Nachweis verschiedener Elemente muß die Wellenlänge verändert werden. Die Auswahl der Wellenlänge kann in diesem Fall entweder durch Drehen des Beugungsgitters 9 um die Z-Achse, die parallel zu dessen Rillen ist, oder durch Bewegen des Satzes der Ausgangsnadellöcher c und d unter Festhalten des Beugungsgitters 9 geschehen. Mit anderen Worten, die Wellenlänge kann entweder durch Drehen des Beugungsgitters oder durch eine Parallelversetzung des Satzes von Ausgangsnadellöchern c und d als ganzen ausgewählt werden. Es ist nicht notwendig, die Nadellöcher c und d einzeln und getrennt zu bewegen.The plane containing the two light bundles after passing through the analyzer * 4 of the double image polarization prism, the line connecting the pinholes a and b and the line connecting the pinholes c and d all lie in planes which are parallel to the grooves of the diffraction grating 9. To detect different elements, the wavelength must be changed. The selection of the wavelength in this case can be done either by rotating the diffraction grating 9 about the Z-axis, which is parallel to its grooves, or by moving the set of exit pinholes c and d while holding the diffraction grating 9. In other words, the wavelength can be selected either by rotating the diffraction grating or by offsetting the set of exit pinholes c and d as a whole. It is not necessary to move the pinholes c and d individually and separately.

Es sei nun angenommen, daß von den zwei Lichtbündeln das Bündel Leein solches ist, welches auch dann den Analysator 4 durchläuft, wenn die Probe nicht vorhanden ist Wenn die Konzentration der Probe gering ist dann ist das andere Bündel Ls extrem schwach. Bei Verwendung der in F i g. 4 gezeigten Anordnung wird daher, wie weiter oben erwähnt, das Streulicht von Lr stark, so daß eine genaue Messung der Intensität von Ls nicht durchführbar ist. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es jedoch möglich, das Streulicht zu minimalisieren und Ls mit einem hohen Maß an Genauigkeit zu messen. Auf diese Weise ermöglicht die Erfindung mit Hilfe eines einfachen Mechanismus, eine Probe mit hoher Genauigkeit in einem Doppelstrahlsystem gleicher Wellenlänge zu messen.It is now assumed that of the two light bundles the bundle Le is one which also passes through the analyzer 4 when the sample is not present. If the concentration of the sample is low, then the other bundle Ls is extremely weak. When using the in F i g. 4, therefore, as mentioned above, the scattered light from Lr becomes strong, so that an accurate measurement of the intensity of Ls cannot be carried out. With the arrangement according to the invention, however, it is possible to minimize the scattered light and to measure Ls with a high degree of accuracy. In this way, the invention makes it possible, with the aid of a simple mechanism, to measure a sample with high accuracy in a double-beam system of the same wavelength.

F i g. 7 zeigt die Art und Weise, in der ein Magnetfeld an den Atomdampf der Probe angelegt wird und ferner die Anordnung des Doppelbildpolarisationsprismas. Wie bereits in den Fig.1 und 3 gezeigt wird das Magnetfeld an den Atomdampf 3 parallel oder senkrecht zur Laufrichtung des einfallenden LichtsF i g. 7 shows the manner in which a magnetic field is applied to the atomic vapor of the sample and further the arrangement of the double image polarizing prism. As already shown in Figures 1 and 3, the Magnetic field on the atomic vapor 3 parallel or perpendicular to the direction of travel of the incident light

ungelegt. Wenn das Magnetfeld H mittels des Magneten 14 senkrecht angelegt wird, fällt jedoch die Richtung mit der Doppelbrechung eines einachsigen anisotropen Mediums, welches die Richtung des magnetischen Feldes H als optische Achse hat, zusammen. In einem solchen Fall ist es äußerst wünschenswert, die Richtung des Magnetfelds H in einem Winkel von 45° bezüglich der Polarisationsrichtung P\ des einfallenden Lichts anzuordnen.inconvenient. When the magnetic field H is applied perpendicularly by means of the magnet 14, however, the direction coincides with the birefringence of a uniaxial anisotropic medium which has the direction of the magnetic field H as an optical axis. In such a case, it is extremely desirable to arrange the direction of the magnetic field H at an angle of 45 ° with respect to the polarization direction P \ of the incident light.

Die Lichlbündel Lr und Ls, die durch das den Analysator 4 bildende Doppelbildpolarisationsprisma getrennt werden und in der Richtung P\ und der dazu senkrechten Richtung P7 polarisiert sind, treten dann, wie in Fig. 5 gezeigt, in das Spektrometer ein. Wie bereits erwähnt, ist die die Bündel Lr, Ls enthaltende Ebene senkrecht zu der aus der Dispersionsrichtung des dispersiven Elements des Spektrometer bestehenden Ebene. Bei der Herstellung eines Spektralphotometers wird die obengenannte aus der Dispersionsrichtung bestehende Ebene zweckmäßigerweise horizontal oder vertikal angeordnet, um die Konstruktion und Wartung des Geräts zu vereinfachen. Aus diesem Grund liegt die die Bündel Lr, L_s enthaltende Ebene vertikal oder horizontal. Da der Analysator 4 senkrecht zum Polarisator 2 liegt, muß das Magnetfeld H unter einem Winkel von 45° in bezug auf die Horizontalebene angelegt werden.The bundles of light Lr and Ls, which are separated by the double image polarization prism forming the analyzer 4 and are polarized in the direction P 1 and the direction P7 perpendicular thereto, then enter the spectrometer, as shown in FIG. As already mentioned, the plane containing the beams Lr, Ls is perpendicular to the plane consisting of the dispersion direction of the dispersive element of the spectrometer. In the manufacture of a spectrophotometer, the above-mentioned plane consisting of the direction of dispersion is expediently arranged horizontally or vertically in order to simplify the construction and maintenance of the device. For this reason, the plane containing the bundles Lr, L _s lies vertically or horizontally. Since the analyzer 4 is perpendicular to the polarizer 2, the magnetic field H must be applied at an angle of 45 ° with respect to the horizontal plane.

F i g. 8 zeigt ein Beispiel, in dem ein Rochon-Prisma als Doppelbildpolarisationsprisma verwendet wird. Der Analysator 4 ist so angeordnet, daß bei Abwesenheit von Atomdampf 3 das einfallende linearpolarisierte Licht den durch das Rochon-Prisma gebildeten Analysator 4 unter Brechung durchläuft. Der Brechungswinkel hängt von der Wellenlänge ab und folglich verläuft das durchgelassene Licht Lr entsprechend der Wellenlänge des einfallenden Lichts in verschiedene Richtungen. Bei Vorhandensein von Atomdampf 3 wird eine Lichtkomponente gebildet, deren Polarisationsrichtung P2 senkrecht zu P\ liegt und die den Analysator 4 durchläuft, ohne gebrochen zu werden. Daher ist die Richtung des durchgelassenen Lichts Ls unabhängig von der Wellenlänge des einfallenden Lichts konstant.F i g. Fig. 8 shows an example in which a Rochon prism is used as a double image polarizing prism. The analyzer 4 is arranged in such a way that, in the absence of atomic vapor 3, the incident linearly polarized light passes through the analyzer 4 formed by the Rochon prism with refraction. The angle of refraction depends on the wavelength, and hence the transmitted light Lr travels in different directions according to the wavelength of the incident light. In the presence of atomic vapor 3, a light component is formed whose polarization direction P2 is perpendicular to P \ and which passes through the analyzer 4 without being refracted. Therefore, the direction of the transmitted light Ls is constant regardless of the wavelength of the incident light.

Diese durchgelassenen Lichtbündel Lr und Ls werden auf die Eingangsspalte a und b mit Hilfe eines geeigneten hinter dem Rochon-Prisma angeordneten optischen Systems (beispielsweise der Linse 10) projiziert, wodurch das Licht mit der Wellenlängenkomponente, die der Atomresonanzlinie der zu analysierenden Probe entspricht, spektralanalysiert, herausgegriffen und nachgewiesen wird.These transmitted light bundles Lr and Ls are projected onto the entrance slits a and b with the aid of a suitable optical system (for example the lens 10) arranged behind the Rochon prism, whereby the light is spectrally analyzed with the wavelength component that corresponds to the atomic resonance line of the sample to be analyzed , singled out and proven.

Atomresonanzlinien von Schwermetallelementen, die über ihren Beitrag zur Umweltverschmutzung usw. schädliche Auswirkungen auf Lebewesen haben, liegen meistens im nicht sichtbaren Ultraviolette^. Falls der Polarisator 2 und der Analysator 4 so eingerichtet sind, daß sie das Licht mit einer Polarisationskomponente, die unter einer Brechung den Analysator 4 durchläuft, in ein Signallicht umwandeln, ändert sich durch diese Brechung des Lichts während seines Durchgangs durch den Analysator 4 der optische Weg zu den Photodetektoren mit der Wellenlänge. Daher wird die Justierung des optischen Systems extrem zeitaufwendig, weil zur Justierung am Anfang im allgemeinen sichtbare Strahlung verwendet wird. In der Folge davon ergibt sich eine Differenz in den optischen Wegen zwischen der sichtbaren Strahlung und der tatsächlich für die Messung verwendeten ultravioletten Strahlung.Atomic resonance lines of heavy metal elements that show their contribution to environmental pollution, etc. harmful effects on living beings are mostly in the invisible ultraviolet ^. If the Polarizer 2 and analyzer 4 are set up so that that they the light with a polarization component that passes through the analyzer 4 under a refraction into a Converting signal light changes by this refraction of light during its passage through the Analyzer 4 the optical path to the photodetectors with the wavelength. Therefore the adjustment of the optical system extremely time-consuming because the adjustment is generally visible at the beginning Radiation is used. As a result, there is a difference in optical paths between the visible radiation and the ultraviolet radiation actually used for the measurement.

Wenn, wie in Fig.8, Licht, welches nicht gebrochen wird, als das Signallicht verwendet wird, ändert sich die Brennweite der Linse mit der Wellenlänge. Obwohl die Fokussierweise der Lichtbündel und ähnliches sich ebenfalls mit der Wellenlänge ändert, bleibt die Lage des optischen Weges selbst unverändert. Eine Justierung ist daher leicht zu bewerkstelligen. Da die Intensität des Referenzlichts groß ist, läßt sich die lustierung für das optische System des Referenzlichts relativ leicht durchführen. Es ist auch möglich, die Lage des optischen Weges durch Umwandlung des Lichts in sichtbare Strahlung durch Verwendung eines Fluoreszentmaterials zu überprüfen. Wegen der hohen Intensität des Referenzlichts läßt sich durch Verwendung von nur einem Teil desselben bewirken, daß reproduzierbar ein vorgegebener Anteil des Referenzlichts die Photodetektoren erreicht, selbst wenn der optische Weg sich mit der Wellenlänge ändert. Bei dieser Ausführungsform läßt sich der gleiche Effekt auf ähnliche Weise durch Verwendung eines Senarmont-Prismas anstelle des Rochon- Prismas als Analysator erreichen.If, as in Fig. 8, light which is not refracted is used as the signal light, the focal length of the lens changes with the wavelength. Although the The way of focusing the light bundle and the like also changes with the wavelength, the position remains of the optical path itself unchanged. Adjustment is therefore easy to do. Since the Intensity of the reference light is large, the amusement for the optical system of the reference light can be increased perform relatively easily. It is also possible to change the position of the optical path by converting the light into check visible radiation by using a fluorescent material. Because of the high Intensity of the reference light can be brought about by using only a part of it a given proportion of the reference light reproducibly reaches the photodetectors, even if the optical path changes with wavelength. In this embodiment, the same effect can be obtained similarly by using a Senarmont prism in place of the Rochon prism as the analyzer reach.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung wurden zwei getrennte Nadellöcher für die zwei Lichtbündel Ls, Lr vorgesehen. Da sich der optische Weg von Lr mit der Wellenlänge ändert, ist es jedoch manchmal zweckmäßiger, ein einziges gemeinsames Nadelloch oder Spalt für beide Bündel Ls und Lr zu verwenden. Im Rahmen der Erfindung müssen die zwei Lichtbündel nicht notwendigerweise auf den gleichen Abschnitt des gleichen dispersiven Elements gelangen, sondern dürfen auf verschiedene Abschnitte des Elements gelangen.As described above, two separate pinholes have been provided for the two light bundles Ls, Lr . However, since the optical path of Lr changes with wavelength, it is sometimes more convenient to use a single common pinhole or slit for both beams Ls and Lr . In the context of the invention, the two light bundles do not necessarily have to reach the same section of the same dispersive element, but rather can reach different sections of the element.

Die charakterisierenden Merkmale der Erfindung lassen sich auch so ausgestalten, daß sie einem einen magnetooptischen Effekt ausnützenden Spektralphotometer, welches ein anderes optisches System hat, angepaßt sind. Beispielsweise läßt sich die Erfindung dem in der japanischen Patentanmeldung 30 103/1975 beschriebenen Spektrometer anpassen.The characterizing features of the invention can also be designed so that they one Magneto-optical effect using spectrophotometer, which has a different optical system, are adapted. For example, the invention can be traced to that in Japanese Patent Application No. 30103/1975 adapt the spectrometer described.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich klar, daß die durch die Erfindung gegebene Anordnung den Nachweis von Signalen unterschiedlicher Wellenlänge bei festgehaltenem Abstand zwischen den zwei Detektoren sicherstellt. In diesem Zusammenhang sollte offensichtlich sein, daß die Detektoren nicht immer in perfekter Weise vertikal ausgerichtet sein müssen, sondern bezüglich einander in der vertikalen Richtung innerhalb des durch die Messung zugelassenen Bereichs versetzt sein können, vorausgesetzt daß ihr Abstand unverändert bleibtFrom the above description it is clear that the arrangement given by the invention the Detection of signals of different wavelengths while maintaining the distance between the two Detectors ensures. In this context it should be obvious that the detectors are not always in must be perfectly aligned vertically, but with respect to each other in the vertical direction may be offset within the range allowed by the measurement, provided that their spacing remains unchanged

Wie vorstehend beschrieben, ist es erfindungsgemäß möglich, ein beliebiges Element mit einem hohen Maß an Genauigkeit nach der Doppelstrahlmethode der gleichen Wellenlänge unter Verwendung eines einzigen dispersiven Elemente zu messen und die Meßvorrichtung ohne Schwierigkeiten zu justieren.As described above, according to the present invention, it is possible to use any element to a high degree of accuracy by the double beam method of the same wavelength using a single one to measure dispersive elements and to adjust the measuring device without difficulty.

Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. A spectrophotometer utilizing a magneto-optical effect, with a space for receiving a sample to be measured; means for applying a magnetic field to the space; means for irradiating linearly polarized light into the room; a polarization separator for receiving, splitting and forwarding the incident light after passing through the space in two light bundles with mutually perpendicular polarization components; a spectrum analyzer device with a device for making the two light bundles separated by the polarization separating device convergent and with a dispersive element for the spectral decomposition of the two light bundles made convergent in this way; and a light detection device for detecting the two light bundles split up by the dispersive element, characterized in that the dispersive element (9) is arranged in such a way that the plane containing the two light bundles (Lr, £ .., ·) impinging on the dispersive element contains runs essentially perpendicular to the plane which is defined by the dispersion direction of the dispersive element.

2. Spectrophotometer according to claim 1, characterized in that the direction of the applied magnetic field (H) is perpendicular to the direction of the light radiated into the room and an angle of 45 ° with respect to the polarization direction of the incident light and an angle of 45 ° defined relative to the horizontal plane.

3. Spectrophotometer according to claim 1 or 2, characterized in that the device for irradiating light and the polarization separating device (4) are arranged so that the two outgoing from the polarization separating device light bundles (Lr, Ls) containing a plane <* o is vertical plane.

4. Spectrophotometer according to one of claims 1 to 3, characterized in that the polarization separating device (4) is designed so that a straight passage of that from the space impinging on the polarization separator Permitted light whose direction of polarization is perpendicular to that of the incident Is light.

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